¿Un láser con cuatro posibles niveles de energía sería mejor que tres?

Me pregunto cómo lograr la inversión de población para un láser. Aprendí que sin un medio activo, no es posible crear un láser con solo dos niveles de energía, pero sería posible con tres. ¿Cuál es la ventaja de tener cuatro niveles entonces?

Respuestas (4)

Cuando tiene un sistema de tres niveles, la transición del láser es entre el suelo y los primeros niveles excitados (vea la figura). En este esquema, es bastante difícil lograr la inversión de población porque todos los átomos tienden a permanecer en el nivel más bajo.

Con un esquema de cuatro niveles, tiene un nivel adicional para que la transición del láser no termine en un estado fundamental. Por lo tanto, si el nivel inferior se vacía más rápido que el nivel superior en la transición del láser, la inversión de población estará garantizada independientemente de la rapidez o la eficiencia con la que bombee el sistema. Muchos láseres, como Nd:YAG o HeNe, por nombrar algunos, en realidad usan un esquema de cuatro niveles exactamente por este motivo.

Configuración láser de tres y cuatro niveles.

No entiendo qué sucede después del "láser" de E3 -> E2 en la segunda imagen. ¿Qué sucede en la transición del segundo nivel al estado fundamental?
Esa es solo una transición no radiativa (por ejemplo, a través de colisiones) que, si es más rápida que la descomposición de E 3 a mi 2 , garantiza que se logrará la inversión de población.

Si tiene una transición rápida no radiativa al estado fundamental desde el nivel láser inferior, eso ayudaría con la inversión de población porque está vaciando el nivel láser inferior.

Lo que mencionaste es correcto para el esquema de tres niveles. ¿Cuál es la ventaja del cuarto nivel?

Como se señaló en las otras respuestas, puede construir láseres perfectamente finos con esquemas de 3 y 4 niveles. Sin embargo, me gustaría agregar que, en términos generales, los esquemas de 4 niveles exhiben un umbral de inversión (potencia o intensidad) más bajo, mientras que los esquemas de 3 niveles tienden a ser más eficientes en cuanto a la conversión de potencia de entrada a salida.

En un sistema de 4 niveles, debido a la población térmica generalmente baja del segundo nivel de energía más bajo, es más fácil lograr la inversión de población entre el tercer y segundo nivel de energía (correspondiente a la transición del láser), por lo tanto, se logra la inversión en una bomba más baja. potencia/intensidad. Por otro lado, se pierde más energía a través de desintegraciones no radiativas entre el 4.° y 3.° y el 2.° y 1.° nivel de energía, lo que reduce la eficiencia general en comparación con un esquema de 3 niveles en el que solo se produce una desintegración no radiativa de este tipo.

Pero esto es solo una imagen general y se aplicarán excepciones.

El nivel inferior de transición del láser está por encima del estado fundamental, lo que significa que la transferencia rápida no radiativa desde el nivel inferior del láser al estado fundamental mantiene una población razonable en el nivel superior del láser (tercero), lo que es fundamental para el láser. Por lo tanto, es más efectivo que el sistema de 3 niveles

¿Un láser con cuatro posibles niveles de energía sería mejor que tres?
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